基于空间变异性的土壤水分空间分布研究

基于空间变异性的土壤水分空间分布研究

根据田间的实际情况，在土壤条件（物理、化学和生物性质）相同的区域，不同空间位置上的土壤特性（生物性质）的数量值是不同的。这种属性被称为土壤特性的空间变异。土壤空间变异的研究始于20世纪60年代,国际学术界自70年代提出研究土壤空间变异以来,土壤特性空间变异一直是人们共同关注的一个研究热点。国外开展了大量的关于土壤性质,尤其是土壤物理性质方面的空间变异研究。我国学者于80年代初开始研究土壤和水资源系统中参数的空间变异问题。在农田灌溉管理决策中,利用中子仪监测土壤水分时,中子仪观测管的个数、间距及具体的位置对于灌溉决策的精度有重要的影响。根据有代表意义的田间持水量值进行空间变异分析,进而确定如何科学合理地埋设观测管,对于农田节水过程中动态监测土壤水分状况是十分必要和可行的。1采样点样的选取灌区土壤特性空间变异性实验研究分别在两地进行。实验1在新疆农七师奎屯地区128团三连进行,采样日期是1998年5月16日,土壤质地为粘土。布点方式为每隔4m沿东西、南北方向各取一点,沿东西方向每一导线除第3行、第6行最后一点不取样外,其余各行均取8个点,共取7行,54个点。实验2取样点位于新疆石河子大学农学院实验场,采样日期是1998年6月5日,土壤质地是砂壤土。各点之间相距9m,沿东西及南北方向各取8行8列,共取64个点。取样布置图见图1和图2。用环刀取土钻取样,采样深度为土壤耕层20cm～30cm。为减少地边土壤湿度变化影响,取样均离地边2m～3m。土样用于测定田间持水量,土壤含水量的测定用烘干法。2田间持水量t分布特性,l土壤特性值的空间分布具有必然性和偶然性。土壤水分特性空间分布的偶然性表现为土壤特性的变化呈随机性。在此,我们视空间变化的土壤特性为随机变量,而且相互独立。按经典统计方法分析,得出田间持水量的统计特征值见表1。表中取样误差取10%,置信水平取95%。根据土壤水分的观测值,作出累计概率曲线,结果近似为直线,因此土壤含水量近似为正态分布。表1中N指正态分布。表中:标准差σ=√Ν∑i=1(xi-ˉx)2/Ν(1)σ=∑i=1N(xi−x¯)2/N−−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000(1)平均值ˉx=1ΝΝ∑i=1xi(2)x¯=1N∑i=1Nxi(2)变异系数Cv=σ/ˉx(3)Cv=σ/x¯(3)合理取样数n=λ2a‚f(σΔ)(4)n=λ2a‚f(σΔ)(4)式中:N为实际取样数目;σ2为样本方差;λ2a,f2a,f为t分布特征值;Δ为允许误差。在农田水分管理中,田间持水量是一个重要的水分常数,它对于灌溉决策方案的制定具有重要意义。从上述两表中可以看出,两实验地田间持水量的合理取样数分别为8和3。因此在实际的土壤研究中,实验工作量可大大减少。另外此结果还可用于中子仪测定土壤水分时观测管布置的最小个数。3图中规定了空间相关区域的确定和土壤含水量的等值线3.1持水量半方差函数的拟合半方差函数也可称为半变异函数,是地质统计学中研究土壤变异性的关键函数。如果随机函数Z(x)具有二阶平稳性,则半方差函数(h)可以用Z(x)的方差S和空间协方差C(h)来定义:γ(h)=S2-C(h)(5)其中,γ(h)反映了Z(x)中的空间相关部分,它等于所有以给定间距h相隔的样点测值之差平方的数学期望:γ(h)=12E[Ζ(x)-Ζ(x+h)](6)γ(h)=12E[Z(x)−Z(x+h)](6)实际计算可用:γ(h)=121Ν(h)-Ν(h)∑i=1[Ζ(xi)-Ζ(xi+h)]2(7)γ(h)=121N(h)−∑i=1N(h)[Z(xi)−Z(xi+h)]2(7)式中:N(h)是以h为间距的所有观测点的成对数目。某个特定方向的半方差函数图通常是由γ(h)对h作图而得。实验半方差函数的形状可以是多种多样的。取决于实测数据和所用的采样间隔。在通常情况下,半方差函数值都有随着样点间距的增加而增大,并在一定的间距(称为变程,Arange)升大到一个基本稳定的常数(称为基台,Sill)。平稳性数据的基台值近似于采样方差S,所以间隔小于变程的样点是空间相关的,而间隔大于变程的样点则无空间相关性。因此,变程就理所当然地又称为空间相关域。根据农七师128团和石河子大学农学院实验场实验所得出的土壤水分特征值分析得出半方差图见图3、图4。图3中,田间持水量的半方差函数用球状模型拟合:{γ(h)=C0+C1[1.5(h/a)-0.5(h/a)3)]0<h<aγ(h)=C0+C1h≥a(8){γ(h)=C0+C1[1.5(h/a)−0.5(h/a)3)]0<h<aγ(h)=C0+C1h≥a(8)式中:C0=6.57,C1=18.7,a=15m,a指变程。图4中,田间持水量半方差图采用球状模型拟合(公式同上式):式中:C0=1.51,C1=2.83,a=28m,a指变程。3.2土壤水分特性“三化”到“3”的生长和最专业的布局2“x0”的计算克立格法是利用原始数据和半方差函数的结构性,对未采样点的区域化变量进行无偏最佳估值的方法,该方法的一个有用特点是能够计算出每个估值的误差大小(估值方差),从而能知道估值的可靠程度。克立格法可以说是一种局部估值方法,每一未知值都是由其邻近观测值加权平均计算而得的,即区域化变量Z在位置的内插为ˆΖ(x0)=n∑i=1λiΖ(xi)(9)Zˆ(x0)=∑i=1nλiZ(xi)(9)式中:n是邻近观测值Z(xi)的个数,λi是相对于每个Z(xi)的权重。确定权重的条件是估值ˆΖ(x0)为无偏,即E[ˆΖ(x0)-Ζ(X0)]=0(10)并使估值方差σ2k为最小:σ2k=Var[ˆΖ(x0)-Ζ(X0)]=min(11)因此,要求对于所有的i,下式成立:[n∑j=1λjγ(xi,xj)+μ=γ(xi,x0)i=1,2,⋯,nn∑j=1λi=1(12)其中:γ(xi,xj)和γ(xi,x0)分别为观测点xi与xj之间,xi与内插点x0之间的方差,μ是拉格朗日乘子。这n+1个方程组就是克立格方程,当γ(x)正定时有唯一解。由此解得xi,再代入(12)式进行估值,其估值方差为σ2k=n∑i=1λ1(X1,x0)+μ(13)克立格法的最普通用途是绘制土壤性质的等值线图。图5、图6分别为农七师128团和石河子大学农学院实验场田间持水量的等值线图。将两实验地的田间持水量等值线图加以比较,可明显看出农学院实验场的等值线图较农七师128团的等值线图疏松,表明土质不同对土壤水分参数空间分布的影响。砂性土持水性弱,各土壤水分特性值在实验区域的空间上变化较大,土壤水分等值线因而分隔性较大。而粘性土持水性较强,各土壤水分特性值在实验区域的空间上变化相对较小,等值线图也相对紧密些。根据土壤水分等值线图可以获得土壤参数值分布的宏观信息。田间持水量在区域内变化较大,这对于灌溉决策研究时用中子仪测定土壤水分前布设观测管位置有一定的参考价值。我们可以根据等值线图找出某一地块中几点,这几点相互之间的位置在前面研究得出的空间相关域范围之外,而且其值能代表该地块土壤水分特征的平均值,观测管布设在这一点测量土壤含水量时较能反映整块地的总体水分情况,使中子水分仪的测量更能反映灌区土壤水分的真实情况,从而提高中子仪测量含水量时的准确度。4田间持水量的空间相关域与观测管间距在农田灌溉管理中,运用中子仪测定土壤水分,制定科学的灌溉方案时首先要考虑田间土壤空间变异性对点观测值的影响。上述分析表明,可利用田间持水量作空间变异分析,确定代表田间土壤湿度平均量的观测点位置。根据土壤特性的空间变异分析确定观测管在田间位置,对提高灌溉决策精确度具有重要意义。如果不进行土壤空间变异分析,土壤水分观测管布置在田间持水量最大点,通过灌溉决策分析得出的灌溉量增大,使田间持水量小于最大值的田块的作物受淹,多余灌溉水易产生深层渗漏,灌溉前作物会发生水分胁迫;如将中子仪观测管布置在田间持水量最小点,其灌溉间隔缩短,将会增加灌溉次数,从而增加劳动强度,这些都会对灌溉决策的精度产生影响,进而影响作物的产量。因此观测管的布置应在田间持水量平均值的位置。由前述的统计分析结果,得出农七师实验与石河子大学实验中田间持水量的合理取样数分别为8和3,因此,理论上中子仪测量土壤含水量时的观测管在这两地分别为8和3。根据农七师128团土壤水分空间变异特性的研究结果,田间持水量的空间相关域为15m。对农学院实验场得出的数据进行分析可知,田间持水量的空间相关域为28m。因此在确定中子管位置时,对于土质为粘土的128团,观测管间距应大于15m。而农学院实验场土质为砂土,观测管间距应至少大于28m,以便减少土壤空间变异性对测量数据的影响。但由于在石河子大学农学院实验场所取实验地块最大边长为63,只能布置3根观测管。根据表1和表2可知田间持水量的平均值,根据图5和图6,由已得出的空间相关距,可以确定在128团某地块内和实验场地块中3根观测管各自的布置位置,表中各观测管位置用平面直角坐标表示,单位为m(表2)。5土壤水分特性的空间变异采用经典的统计学方法和地质统计学方法研究了新疆农七师128团和石河子大学农学院实验场土壤水分特性的空间变异性。计算得出的两实验地的合理取样数分别为3和8,可将此值作为中子仪测定土壤水分时埋设的观测管的个数;由实验研究确定的两实验地的土壤水分的半方差函数图可以清楚的找出空间相关域,此值的确定可为观测管最小间距的